სანტა-კრუზის კალიფორნიის უნივერსიტეტის პროფესორმა, სტეფანო პროფუმომ, ორი კვლევა გამოაქვეყნა. ისინი თანამედროვე ფიზიკის ერთ-ერთ ყველაზე ფუნდამენტურ კითხვას ეხება — ნაწილაკების როგორი ბუნება ახასიათებს ბნელ მატერიას?

ბნელი მატერია სამყაროში არსებული მთელი მატერიის 80 პროცენტს შეადგენს. მეცნიერებს მტკიცებულებები უკვე აქვთ, რომ ის ნამდვილად არსებობს. გალაქტიკების ერთიანობასა და მათ ბრუნვას სწორედ ბნელი მატერია ხსნის. კოსმოსის მასშტაბური სტრუქტურა და კოსმოსურ მიკროტალღურ ფონზე დაკვირვებები ადასტურებს, რომ ამ სიბნელის მიღმა რაღაც დაუდგენელი ძალა არსებობს.

ფიზიკოსები, მათ შორის პროფესორი პროფუმო, ცდილობენ გაიგონ, საიდან წარმოიშობა ბნელი მატერია და რა თვისებები აქვს მას. ორ უახლეს კვლევაში განხილულია ჰიპოთეზები, რომელთა მიხედვითაც, ბნელი მატერია სამყაროს დასაწყისში ბუნებრივად წარმოიქმნა. შესაძლოა, რომ ის არ შედგებოდეს რაიმე სახის ეგზოტიკური ნაწილაკებისგან, რომლებიც ჩვეულებრივ მატერიასთან ურთიერთქმედებს.

უახლესი კვლევა გამოცემაში Physical Review D გამოქვეყნდა. მასში განიხილავენ იდეას, რომ ბნელი მატერია შეიძლება ერთგვარ. დამალულ სექტორში ფორმირებულიყო. ის პარალელური, ე.წ. სარკული სამყაროა, რომელსაც საკუთარი ნაწილაკები თუ ძალები აქვს და ადამიანებისთვის უხილავია. მიუხედავად ამისა, ის იმავე ფიზიკურ კანონებს ემორჩილება, რომლებსაც ჩვენთვის ცნობილი სამყარო.

ეს იდეა კვანტური ქრომოდინამიკის (QCD) თეორიითაა შთაგონებული. ის აღწერს, როგორ ერთიანდება კვარკები პროტონებსა და ნეიტრონებში ძლიერი ბირთვული ძალით. სანტა-კრუზის კალიფორნიის უნივერსიტეტის პროფესორი, მაიკლ დაინი, ერთ-ერთი პირველი იყო, რომელმაც QCD აქსიონის თეორიული მოდელები შეიმუშავა. იმავე უნივერსიტეტის მეცნიერი, აბე საიდენი, კვარკული სტრუქტურის შესწავლაში მონაწილეობდა.

პროფუმოს ახალ ნაშრომში ძლიერ ძალას ბნელი მატერიის სამყაროშიც ანალოგიური ფუნქცია აქვს. მას "ბნელი QCD" ეწოდება და საკუთარ კვარკებსა და გლუონებს წარმოქმნის. ისინი მძიმე ნაწილაკებად, ბნელ ბარიონებად, ერთიანდება, რომლებიც ძალიან მკვრივი და მასიური შეიძლება გახდეს. შემდეგ ისინი გრავიტაციის გავლენით კოლაფსს განიცდის და მცირე შავ ხვრელებად ან მის მსგავს ობიექტებად გარდაიქმნება.

შავი ხვრელების მსგავსი ეს ნარჩენები პლანკის მასაზე, ანუ კვანტური გრავიტაციის ზღვარზე, ოდნავ მძიმე იქნებოდა. მიუხედავად ამისა, მათი სწორი რაოდენობით წარმოშობა სავსებით საკმარისი უნდა იყოს დღევანდელი ბნელი მატერიის ასახსნელად. ნაწილაკების დეტექტორისთვის ნარჩენები უხილავი და შეუმჩნეველია.

ეს სცენარი ახალ, შემოწმებად მოდელს გვთავაზობს. ის უკვე არსებულ ფიზიკის პრინციპებზეა დამყარებული. ამ მოდელის დახმარებით ფიზიკოსები ცდილობენ, კოსმოლოგიის უდიდეს, ამოუხსნელ, შეკითხვებს უპასუხონ.

პროფუმოს მეორე კვლევაში სხვა ჰიპოთეზაა განხილული. მის მიხედვით, ბნელი მატერია, შესაძლოა, სამყაროს გაფართოებადი "კოსმოსური ჰორიზონტის" მიერ წარმოქმნილიყო. ეს დაახლოებით იმავე პროცესებს გულისხმობს, რომლებიც შავი ხვრელის მოვლენათა ჰორიზონტის ფუნქციონირებაში მონაწილეობს.

მეცნიერებს აინტერესებთ, იქნებოდა თუ არა შესაძლებელი, რომ სამყაროს სწრაფი გაფართოებისას ნაწილაკები წარმოეშვა. მკვლევრებმა გამრუდებულ დრო-სივრცეში კვანტური ველის თეორიის პრინციპები გამოიყენეს. მათ აჩვენეს, რომ ამ მექანიზმით ბნელი მატერია შეიძლება წარმოიქმნას.

ამ ჰიპოთეზას არ სჭირდება ვარაუდები იმის შესახებ, როგორ ურთიერთქმედებს ბნელი მატერია სხვა ნივთიერებასთან. საკმარისია მხოლოდ ისიც, რომ ის სტაბილური იყოს და გრავიტაციის ზემოქმედებით ფორმირდებოდეს. ეს იდეა კვანტურ ეფექტებს ეფუძნება, რომლებიც კოსმოსურ ჰორიზონტებთან ახლოს იჩენს თავს, მაგალითად შავი ხვრელებთან, როცა დამკვირვებლები თბურ გამოსხივებას აღიქვამენ.

"ორივე მექანიზმი ჯერჯერობით სპეკულაციურია", — ამბობს პროფესორი პროფუმო — "მაგრამ ისინი გამოთვლად სცენარებს გვთავაზობს. ასევე, არაა დამოკიდებული ტრადიციულ ნაწილაკურ მოდელებზე, რომლებიც ძირითადად ექსპერიმენტულად უშედეგოა".

პროფესორმა პროფუმომ ამ თემაზე წიგნიც დაწერა: "შესავალი ბნელი მატერიის ნაწილაკურ ფიზიკაში", რომელიც 2017 წელს გამოქვეყნდა. მასში კვლევითი გამოცდილება და მეთოდებია შეჯამებული, რომლებიც ბნელი მატერიის მოდელების შესაქმნელად და შესამოწმებლად გამოიყენება.

წიგნში ბნელი მატერიის დახასიათებულია, როგორც "კოსმოლოგიისა და ელემენტარულ ნაწილაკთა ფიზიკის ურთიერთქმედების გასაგებად ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი პარადიგმა". სახელმძღვანელო ყველასთვისაა განკუთვნილი, ვინც ექსპერიმენტული ფიზიკით, კოსმოლოგიური დაკვირვებებითა თუ მაღალი ენერგიის ასტროფიზიკური ფენომენებითაა დაინტერესებული.

სანტა-კრუზის კალიფორნიის უნივერსიტეტი უკვე ათწლეულებია, კოსმოლოგიის განვითარებაში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს, მათ შორის ლამბდა-ცივი ბნელი მატერიის (ΛCDM) მოდელის ფორმირებაში. პროფუმოს თქმით, მისი უახლესი კვლევები ამ ტრადიციის გაგრძელებაა. ისინი სამყაროს მასშტაბურ ქცევასა და ნაწილაკური ფიზიკის ღრმა საკითხებს შორის კავშირების პოვნას ცდილობს.

"ეს კვლევები ფიზიკაში ფესვებს გაიდგამს, იქნება ეს გამრუდებულ დრო-სივრცეში კვანტური ველის თუ SU(_N) კალიბრის თეორიები. აღნიშნული იდეები ახალ საკვლევ არეალებს გააჩენს", — აცხადებს მეცნიერი.